In vitro Modello enteroide apical-out di enterocolite necrotizzante

Summary

Questo protocollo descrive un modello di enterocolite necrotizzante apicale (NEC) in un piatto che utilizza enteroidi intestinali piccoli con polarità invertita, consentendo l’accesso alla superficie apicale. Forniamo un protocollo di colorazione immunofluorescente per rilevare l’interruzione epiteliale correlata al NEC e un metodo per determinare la vitalità degli enteroidi apicali-out sottoposti al protocollo NEC-in-a-dish.

Abstract

L’enterocolite necrotizzante (NEC) è una malattia devastante che colpisce i neonati pretermine, caratterizzata da infiammazione intestinale e necrosi. Gli enteroidi sono recentemente emersi come un sistema promettente per modellare le patologie gastrointestinali. Tuttavia, i metodi attualmente utilizzati per la manipolazione enteroide non hanno accesso alla superficie apicale dell’epitelio (tridimensionale [3D]) o richiedono molto tempo e risorse (monostrati bidimensionali [2D]). Questi metodi spesso richiedono passaggi aggiuntivi, come la microiniezione, affinché il modello diventi fisiologicamente traducibile. Qui, descriviamo un protocollo fisiologicamente rilevante e poco costoso per studiare NEC in vitro invertendo la polarità enteroide, con conseguente superficie apicale rivolta verso l’esterno (apical-out). Viene inoltre fornito un protocollo di colorazione immunofluorescente per esaminare l’integrità della barriera enteroide e l’espressione proteica giunzionale in seguito all’esposizione al fattore di necrosi tumorale alfa (TNF-α) o al lipopolisaccaride (LPS) in condizioni normossiche o ipossiche. Viene inoltre valutata la vitalità di enteroidi 3D apical-out esposti a LPS normossici o ipossici o TNF-α per 24 ore. Gli enteroidi esposti a LPS o TNF-α, in combinazione con ipossia, hanno mostrato un’interruzione dell’architettura epiteliale, una perdita di espressione della proteina di giunzione aderente e una riduzione della vitalità cellulare. Questo protocollo descrive un nuovo modello apical-out NEC-in-a-dish che presenta una piattaforma fisiologicamente rilevante ed economica per identificare potenziali bersagli epiteliali per le terapie NEC e studiare la risposta intestinale pretermine alle terapie.

Introduction

L’enterocolite necrotizzante (NEC), una grave malattia infiammatoria dell’intestino tenue che si verifica fino al 10% dei neonati pretermine, è comunemente associata ad elevata morbilità e mortalità ^1,2. I tassi di mortalità che si avvicinano al 50% nei neonati con peso alla nascita molto basso (<1500 g), che richiedono un intervento chirurgico, non sono rari³. Mentre l’esatta eziologia di NEC non è attualmente compresa, si ritiene che i fattori di rischio, come l’alimentazione artificiale, si aggravino con anomalie fisiologiche, come la disbiosi, un epitelio intestinale immaturo e una barriera intestinale disfunzionale, nello sviluppo della malattia ^2,4. Nonostante gli sforzi significativi, nell’ultimo decennio si sono verificati pochi progressi nella prevenzione o nel trattamento del NEC⁵. È necessario un nuovo metodo in vitro per studiare la NEC e la disfunzione della barriera epiteliale intestinale associata per far progredire la comprensione della patogenesi della malattia, poiché i risultati dei modelli animali hanno, finora, tradotto male al letto^{del paziente 6}.

Un certo numero di modelli in vitro sono stati utilizzati per studiare i meccanismi de gioco durante NEC. La linea cellulare epiteliale intestinale umana, Caco-2, è tra i modelli in vitro più comunemente utilizzati di NEC ^7,8. Le cellule Caco-2 emulano le caratteristiche morfologiche del bordo del pennello dell’intestino tenue, ma, come linea cellulare, non si differenziano nell’ampia varietà di tipi di cellule in vivo, comprese le cellule caliciformi che producono muco, richieste per un modello altamente traducibile. HT-29-MTX, cellule di adenocarcinoma del colon umano, includono un fenotipo misto di enterociti e cellule caliciformi, ma mancano ancora di tipi cellulari basati sulla cripta dell’epitelio intestinale⁹. IEC-6 e IEC-18 sono linee cellulari non trasformate con una morfologia immatura simile a una cripta ileale ma non derivano da tessuto umano, limitando la loro capacità traslazionale. Le linee cellulari intestinali FHs 74-Int e H4 derivano dal tessuto fetale umano e non formano giunzioni strette o monostrati polarizzati^10,11, e quindi sono immature rispetto anche ai neonati più prematuri suscettibili alla NEC. Tipicamente, i modelli in vitro NEC utilizzano trattamenti lipopolisaccaridici (LPS) per indurre il recettore toll-like 4 (TLR4), un recettore importante che avvia l’infiammazione intestinale in NEC¹². Il danno mediato attraverso il trattamento con specie reattive dell’ossigeno (ROS), tipicamente attraverso il perossido di idrogeno, è spesso usato per indurre danni ossidativi simili a NEC e apoptosi^13,14. Come principale motore dell’infiammazione intestinale, il fattore di necrosi tumorale alfa (TNF-α), un componente a valle della segnalazione infiammatoria TLR4, è anche comunemente utilizzato in questi modelli in vitro per imitare la patogenesi in vivo ¹⁵.

Gli organoidi, generati da cellule staminali pluripotenti inducibili (iPSC), sono cresciuti in popolarità come modello in vitro dell’intestino grazie alla loro capacità di ricapitolare la complessa architettura in vivo e la composizione del tipo cellulare del tessuto da cui derivano^16,17. Un sistema in vitro correlato, gli enteroidi, sono organoidi derivati da cripte intestinali resecate che sono più facilmente stabiliti e mantenuti rispetto agli organoidi derivati da iPSC. Gli enteroidi sono tipicamente coltivati in una matrice extracellulare tridimensionale (3D) (ECM) con accesso sperimentale limitato alla superficie cellulare basolaterale. Metodi, come la microiniezione^18,19, sono stati sviluppati per superare questa barriera alla superficie apicale^, ma l’accumulo di detriti cellulari e muco all’interno del lume rende la microiniezione sia tecnicamente difficile che incoerente. Poiché le piattaforme di microiniezione robotizzata personalizzate non sono ampiamente accessibili²⁰, la variabilità da laboratorio a laboratorio nelle capacità tecniche e nella tecnica generale diventano variabili significative da superare con i protocolli di microiniezione. Monostrati bidimensionali (2D) derivati da enteroidi 3D dissociati, che comprendono ancora tutti i principali tipi di cellule dell’epitelio intestinale, consentono l’accesso alla superficie apicale ma sono stati tradizionalmente difficili da mantenere senza uno strato di alimentazione di miofibroblasti mesenchimali²¹. Mentre i supporti permeabili alla coltura cellulare possono essere utilizzati per accedere sia al lato apicale che basolaterale dei monostrati enteroidi senza l’uso di miofibroblasti sottostanti, questi inserti richiedono l’escissione e il montaggio della membrana prima dell’uso con modalità quali la microscopia confocale, risultando in un processo tecnicamente più impegnativo e difficile quando si utilizzano metodi di microscopia tradizionali²². NEC è stato modellato in vitro utilizzando enteroidi 3D tradizionali 23,24,25 e supporti permeabili 26,27, e l’infiammazione intestinale è stata recentemente replicata con modelli gut-on-a-chip ^28,29. Mentre i modelli gut-on-a-chip che incorporano la microfluidica sono, di gran lunga, i modelli più avanzati e traducibili, questa tecnologia è costosa, complessa e inaccessibile alla maggior parte dei ricercatori³⁰.

I recenti progressi nelle tecniche enteroidi apicali-out hanno permesso un accesso più facile alla superficie apicale degli enteroidi 3D senza rischiare di danneggiare l’integrità strutturale dell’epitelio in vitro ^31,32,33. Gli enteroidi apicali-out condividono la composizione del tipo di cellula e la funzione barriera dell’epitelio intestinale in vivo, ma, a differenza dei tipici enteroidi 3D, le superfici apicali di queste cellule sono rivolte verso il terreno di coltura, consentendo studi più fisiologicamente rilevanti sull’assorbimento dei nutrienti, l’infezione microbica e la secrezione luminale³¹. Un ulteriore vantaggio degli enteroidi apical-out è la capacità di distribuire omogeneamente agenti sperimentali agli enteroidi. Non è richiesta una variazione dei volumi di trattamento in base alle dimensioni degli enteroidi, come avviene con la microiniezione, e la capacità di mantenere questi enteroidi nella coltura in sospensione annulla qualsiasi interferenza ECM sulla diffusione dell’agente sperimentale³².

L’enterocolite necrotizzante è una malattia multifattoriale che coinvolge più tipi di cellule epiteliali intestinali e una varietà di fattori ambientali e fisiopatologici³⁴. La variegata composizione cellulare degli enteroidi intestinali è un netto miglioramento rispetto alle monocolture nella modellazione di una malattia complessa come la NEC. È interessante notare che, mentre una singola esposizione infiammatoria è spesso sufficiente per indurre danni in monocolture in vitro , gli enteroidi, come con i modelli murini²³, sembrano richiedere un minimo di due componenti infiammatori per indurre danni simili a NEC⁶. Qui, presentiamo un modello apical-out NEC-in-a-dish, utilizzando enteroidi apical-out in combinazione con ipossia (un’importante caratteristica clinica di NEC⁶) e LPS o TNF-α, come modello in vitro migliorato e più fisiologicamente rilevante per studiare le risposte epiteliali all’infiammazione simile a NEC e, potenzialmente, identificare bersagli terapeutici. Descriviamo un protocollo per invertire la polarità degli enteroidi 3D dell’intestino tenue, nonché un protocollo di colorazione immunofluorescente per identificare la rottura della barriera epiteliale e le alterazioni dell’espressione proteica giunzionale. Infine, dimostriamo ulteriormente un semplice saggio di vitalità enteroide per determinare l’impatto del nostro modello NEC-in-a-dish a doppio colpo.

Protocol

Tutte le procedure animali in questo studio sono state approvate dal Comitato istituzionale per la cura e l’uso degli animali del Centro di scienze della salute dell’Università dell’Oklahoma. Campioni di convenienza dell’intestino tenue da un primate pretermine non umano (NHP, 90% gestazione, babbuino olivastro, Papio anubis) sono stati ottenuti dopo l’eutanasia per uno studio separato (Protocollo #101523-16-039-I). 1. Istituzione del modello NEC-in-a-dish enteroide apical-out<…

Representative Results

L’uso di enteroidi per modellare l’infiammazione intestinale, anche nel contesto dell’enterocolite necrotizzante, è ora comune. Tuttavia, la maggior parte dei metodi attualmente utilizzati non hanno accesso alla superficie apicale degli enteroidi, negando la rilevanza fisiologica dei composti destinati all’eventuale uso come terapie orali, o sono tecnicamente difficili e richiedono tempo, come con i monostrati derivati dagli enteroidi. Per aumentare l’utilità degli attuali modelli enteroidi in vitro di NEC, ab…

Discussion

Il recente sviluppo di modelli enteroidi derivati da cripte epiteliali intestinali consente un tessuto in vitro più fisiologicamente rilevante in cui studiare la patogenesi dell’enterocolite necrotizzante. Nonostante includano tutti i principali tipi di cellule differenziate dell’epitelio intestinale, gli enteroidi 3D sono ancora soggetti a diverse limitazioni significative. Gli enteroidi convenzionali basolaterali-out sono sospesi in cupole di idrogel ECM 3D, la cui composizione e densità possono limitare la …

Materials

0.5 M EDTA, pH 8.0	Fisher Scientific	15575-020
1.5 mL microcentrifuge tubes	Fisher Scientific	05-408-129
15 mL Conical tube	VWR	89039-666
CellTiter-Glo 3D Cell Viability Assay	Promega	G9681
Corning Costar Ultra-Low Attachment 24-Well Microplates	Fisher Scientific	07-200-602
Cover Glass 24 mm x 60 mm	Thermo Scientific	102460
Donkey anti-Mouse IgG (H+L) Highly Cross-Adsorbed Secondary Antibody, Alexa Fluor 488	Thermo Scientific	A-21202
Donkey Anti-Rabbit IgG Antibody, Cy3 conjugate	Sigma-Aldrich	AP182C
Dulbecco's Modified Eagle's Medium/Nutrient Ham's Mixture F-12 (DMEM-F12) with 15 mM HEPES buffer	STEMCELL Technologies	36254
E-cadherin antibody (7H12)	Novus Biologicals	NBP2-19051
Formaldehyde solution 4%, buffered, pH 6.9	Millipore Sigma	1004960700
Glycerol	Sigma-Aldrich	56-81-5
ImageJ	Fiji	N/A
IntestiCult Organoid Growth Medium (Human)	STEMCELL Technologies	06010
Leica SP8 Confocal Microscope	Leica Biosystems
Lipopolysaccharides from Escherichia coli O111:B4, purified by gel filtration chromatography	Millipore Sigma	L3012-10MG
Microscope Slides	Fisher Scientific	12-544-7
Normal Donkey Serum	Sigma-Aldrich	566460
Nunc MicroWell 96-Well, Nunclon Delta-Treated, Flat-Bottom Microplate	Thermo Scientific	136101
PBS (Phosphate Buffered Saline), 1x [-] calcium, magnesium, pH 7.4	Corning	21-040-CM
Prolong Glass Antifade Mountant with NucBlue	Fisher Scientific	P36983
Recombinant Anti-Villin antibody [SP145]	Abcam	ab130751
Recombinant Human TNF-α protein 100 µg	Bio-Techne	210-TA-100/CF
SpectraMax iD3 Multi-Mode Microplate Reader	Molecular Devices
Thermo Forma Series II Water-Jacketed Tri-Gas Incubator, 184L	Fisher Scientific	3140
TO-PRO-3 Iodide (642/661)	Thermo Scientific	T3605
Triton X-100	Sigma-Aldrich	9002-93-1
Tubes, 0.5 mL, flat cap	Thermo Scientific	AB0350
Tween-20	Sigma-Aldrich	9005-64-5